WO1999050991A1 - Quality evaluation method - Google Patents

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WO1999050991A1
WO1999050991A1 PCT/CH1999/000102 CH9900102W WO9950991A1 WO 1999050991 A1 WO1999050991 A1 WO 1999050991A1 CH 9900102 W CH9900102 W CH 9900102W WO 9950991 A1 WO9950991 A1 WO 9950991A1
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received signal
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Pero Juric
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Ascom Ag
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    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L25/00—Speech or voice analysis techniques not restricted to a single one of groups G10L15/00 - G10L21/00
    • G10L25/48—Speech or voice analysis techniques not restricted to a single one of groups G10L15/00 - G10L21/00 specially adapted for particular use
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/20—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received using signal quality detector

Definitions

  • the invention relates to a method for performing a quality assessment of a signal transmission path with non-linear distortions, wherein a predetermined test signal is transmitted from a transmitter to a receiver, the level of the received signal is first set in the receiver, and a global quality assessment is then carried out using a predetermined comparison method.
  • All methods for quality assessment are based on a comparison of the undistorted test signal with the received signal distorted by the transmission.
  • the prerequisite for a meaningful comparison is the correct matching of the level of the received signal with that of the undistorted test signal.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset which avoids the disadvantages existing in the prior art and, even in the case of strong nonlinear distortions, has essentially no disruptive influence on the result of the quality assessment.
  • the received signal for level control is only examined in a few selected time windows.
  • the windows mentioned are defined in advance in such a way that they contain the highest possible spectral energy density of the (non-distorted) test signal.
  • the distorted received signal is subjected to a comparison with the signal pattern.
  • the comparison procedure is the same as that which is subsequently used for the assessment of the transmission quality.
  • the window in which the best transmission quality or signal similarity was found is then determined.
  • the ratio of the signal levels is now determined in this window in a manner known per se.
  • the entire signal i.e. the signal outside the examined window
  • the essence of the invention lies in the fact that for the determination of the gain factor required for the level control, not all of the received signal energy is used, but only those signal sections which have minimal distortion.
  • a quasi first assessment of the transmission quality is carried out within the level control. However, this assessment is limited to signal sections (windows) with a high energy density. The influence of any malfunctions be kept small from the outset. The disturbances will not be the same in all windows. Wherever they are small, the provisionally determined "local" signal quality will be good. Accordingly, the "locally" determined gain factor is only minimally affected by nonlinear disturbances.
  • the windows to be defined for the level control are determined by an analysis of the specified test signal.
  • the test signal is subjected to a spectral analysis.
  • the signal sections are identified whose energy exceeds a suitably selected threshold.
  • the threshold is preferably selected such that the windows or signal sections which meet the required condition contain at least 50% of the energy of the entire signal.
  • the threshold can be easily set so that at least 2/3 to 3/4 (e.g. about 70%) of the total signal energy falls into the selected window.
  • a voice signal (e.g. a sentence spoken by a test person) is preferably used as the test signal.
  • the windows are chosen so that they do not contain any pauses in speaking. Only speech-active signal sections are of interest.
  • a suitable method for determining the signal quality is the calculation of the BSD (Bark Spectral Distance). However, other methods can also be used without any problems (Cepstral, etc.). By using the same quality assessment method for determining the amplification factor for the selected signal sections as for the subsequent analysis of the entire signal, an optimal preparation or preprocessing of the (distorted) received signal is achieved.
  • Fig. 1 is a block diagram of the method for assessing the transmission quality
  • Fig. 3 is a block diagram of the method for performing level control.
  • Fig. 1 shows schematically the known process of a method for assessing the transmission quality.
  • a transmitter 1 sends a test signal known in advance.
  • the transmitter 1 is e.g. a test device which on the one hand comprises the circuit arrangement of a commercially available mobile radio telephone and on the other hand a circuit for generating and feeding the test signal into the mobile radio circuit.
  • the test signal is e.g. for a more oh repeated voice signal. This is stored in a memory and is digitally passed on to the mobile radio circuit. In this way, a mobile phone user is simulated who speaks to a conversation partner on the other end of the line.
  • the test signal is transmitted via the transmission link 2.
  • the transmission link includes both one or more radio links and any number of wired transmission sections.
  • At least one of the radio links e.g. that from the current base station to the test device
  • the receiver 3 At the other end of the transmission link 2 is the receiver 3.
  • This comprises a telephone circuit in order to decode the transmission signal and to output it in a digital format for the subsequent evaluation. He also carries out the synchronization so that the subsequent signal processing is synchronized with the beginning of the (repetitively transmitted) speech signal.
  • an FFT analysis 4 Fast Fourier Transform
  • the resulting spectra are then subjected to a Bark classification 5. This means that the frequencies are combined according to the Bark scale into groups or bands that correspond to the sensitivity of the human ear.
  • the received signal processed in this way is next raised with the level control 6 according to the invention to the level required for the subsequent quality assessment 7.
  • Any comparison method can be used for quality assessment, the values obtained in the course of the system development from the test signal in the same way being stored in a memory as a reference.
  • the output 8 of the quality assessment 7 can e.g. show the dependence of the determined quality values on the time. After it is known where the mobile test device was at a certain point in time, it is possible to infer local problems on the radio link, for example.
  • Fig. 2a the time course of a voice signal serving as a test signal is shown.
  • the speech signal has a predetermined length TD of, for example, 3 to 10 seconds.
  • a characteristic of the speech signal is that the energy is not evenly distributed, but is concentrated at the beginning of words and syllables.
  • the words are separated by pauses in speech.
  • the pauses in speech make up a substantial part (eg 30% to 50%) of the length TD of the speech signal.
  • the pauses in speech are now located, which separate the speech-active signal sections.
  • the signal can be transformed into the frequency range and processed with a discriminator with a predefined threshold (which is, for example, 10 dB above the quantization noise).
  • a predefined threshold which is, for example, 10 dB above the quantization noise.
  • the windows are identified in which e.g. the spectral energy density of the signal exceeds a certain threshold.
  • the energy density is determined in the frequency range (in particular on the basis of the Bark classification).
  • the windows are preferably sorted according to the size of the energy density. In this way it can be determined at the same time how many windows exceed the set threshold and how large the sum of the energy of the selected windows is in relation to the total energy of the test signal.
  • the threshold is selected such that the windows above the threshold represent at least 60% to 70% of the total energy. (This criterion generally also eliminates very short windows in particular.) However, it is entirely possible to use all windows W 1, W2, W3, ..., Wn determined in the first step for level control.
  • the selected windows are labeled V1, ..., VN-1, VN.
  • the start and end of time are saved. So that is 8th
  • the block diagram shown in FIG. 3 symbolizes the content of the block 6 shown in FIG. 1.
  • the processed received signal x (f, t) is tapped before the amplification 9 and fed to a window extraction 10. This extracts the sections of the received signal x (f, t) falling into the predetermined windows V1, ..., VN-1, VN.
  • the following signal analysis is limited according to the invention to the sections mentioned. This means that a selective (quasi "local") quality assessment 1 1 is carried out for each selected signal section.
  • the quality assessment 11 works in the same way as the "global" quality assessment 7 following the level control 6 (cf. FIG. 1).
  • Known methods can be used, e.g. the BSD or the cepstral method.
  • the selective quality assessment 11 is based on the values of the undistorted test signal contained in the reference memory 12. At the output of quality assessment 1 1, at least one value is available for each specified window V1, ..., VN-1, VN. This characterizes the similarity of the received signal x (f, t) with the original test signal in the respective window. Was e.g. a brief interruption in a certain window during the transmission, e.g. in V1, then the similarity in this window will be slight.
  • the window with the greatest similarity value is determined in the subsequent selection circuit 13. In principle, all those windows can be selected whose similarity value exceeds a predefined threshold. Whenever (at least) a window with a signal section of sufficient quality (Qi> Qmin) is found, the gain factor is adjusted in this case. (If the quality is insufficient, the previous gain factor is retained.)
  • the gain factor obtained on the basis of a single window (or a few windows) is used according to the invention for amplifying the entire signal x (f, t) (gain 9).
  • a suitable method is briefly described below as an example.
  • the Bark Spectrum L (i) reflects the nonlinear transformations of frequency and amplitude of the human ear together with important aspects of frequency analysis and spectral integration properties in complex acoustic events.
  • the quadratic Euclidean distance between two Bark spectral vectors is determined. This value, known as BSD (Bark Spectral Distortion), can be described by the following formulas:
  • the invention is not limited to the assessment of the transmission quality of speech signals. Rather, it can be used wherever a known test signal is transmitted over a transmission path with pronounced non-linear distortions and is then assessed qualitatively. Worth mentioning are e.g. Image transmission systems.
  • a feature of the invention is the division of the test signal into a plurality of small windows and the calculation of the transmission quality in these selected windows.
  • the window with the best transmission quality is used to determine the volume of the entire received signal.
  • Signal sections with low power such as pauses in speech in speech signals or bit areas with no structure in picture signals) are not taken into account in the level control. (To avoid misunderstandings, it is pointed out that quality assessment 7 naturally takes into account the entire signal - and not just the selected windows.)
  • a provisional level adjustment based on the selected windows can be carried out within the level control according to the invention. If the comparison procedure permits, the levels in this frame can be dispensed with.
  • the invention eliminates a systematic error in the previous quality assessment.

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Abstract

The invention relates to a method for evaluating the quality of a signal transmission path (2) presenting non-linear distortions. According to said method a specified test signal is sent from a transmitter (1) to a receiver (3). First the level of the received signal is adjusted in the receiver (3) and then a global quality evaluation is carried out using a specified comparative method. To adjust the signal level a local quality evaluation (11) based on the specified comparative method is carried out in a specified number of different, predefined windows (V1, à, VN-1, VN). Thereafter at least one window with an adequate local transmission quality is determined. The ratio of signal level of the test signal to signal level of the received signal is calculated in at least one window and the level of the entire received signal is adjusted on the basis of this ratio. Preferably only windows containing, for example, at least 50 % of the total signal energy are used for adjusting the level. The quality evaluation can be carried out using a known method such as the BSD method.

Description

Verfahren zur Durchführung einer Qualitätsbeurteilung Procedure for performing a quality assessment
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Qualitätsbeurteilung einer Signalübertragungsstrecke mit nichtlinearen Verzerrungen, wobei ein vorgegebenes Testsignal von einem Sender zu einem Empfänger übertragen wird, im Empfänger zunächst der Pegel des Empfangssignals eingestellt und anschliessend mit einem vorgegebenen Vergleichsverfahren eine globale Qualitätsbeurteilung durchgeführt wird. Stand der TechnikThe invention relates to a method for performing a quality assessment of a signal transmission path with non-linear distortions, wherein a predetermined test signal is transmitted from a transmitter to a receiver, the level of the received signal is first set in the receiver, and a global quality assessment is then carried out using a predetermined comparison method. State of the art
Mit der zunehmenden Verbreitung der Mobilfunktelefonie und der Konkurrenz unter den verschiedenen Netzwerkbetreibern kommt der objektiven Messung der Übertragungsqualität von Sprachsignalen immer mehr Bedeutung zu. Es gibt unterschiedliche Methoden zur Messung der Übertragungsqualität. Von besonderem Interesse sind dabei jene, welche die Eigenschaften des menschlichen Gehörs berücksichtigen und eine automatische Qualitätsbeurteilung ermöglichen, welche mit der subjektiven Wahrnehmung einer Testperson im wesentlichen übereinstimmt (vgl. z.B. Shihua Wang et. al., "An Objective Measure for Predicting Subjective Quality of Speech Coders", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 10 No. 5, Juni 1992, pp. 819-829 oder EP 0 722 164 A1 ).With the increasing spread of mobile telephony and the competition among the various network operators, the objective measurement of the transmission quality of voice signals is becoming increasingly important. There are different methods for measuring the transmission quality. Of particular interest are those that take into account the characteristics of human hearing and enable an automatic quality assessment that essentially corresponds to the subjective perception of a test person (cf., for example, Shihua Wang et. Al., "An Objective Measure for Predicting Subjective Quality of Speech Coders ", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 10 No. 5, June 1992, pp. 819-829 or EP 0 722 164 A1).
Alle Verfahren für die Qualitätsbeurteilung basieren auf einem Vergleich des unverzerrten Testsignals mit dem durch die Übertragung verzerrten Empfangssignal. Voraussetzung für einen aussagekräftigen Vergleich ist bekanntlich die korrekte Abstimmung des Pegels des empfangenen Signals auf denjenigen des unverzerrten Testsignals.All methods for quality assessment are based on a comparison of the undistorted test signal with the received signal distorted by the transmission. As is known, the prerequisite for a meaningful comparison is the correct matching of the level of the received signal with that of the undistorted test signal.
Die bisher bekannten Methoden für eine schnelle Echtzeit-Steuerung des Signals (vgl. z.B. ITU-T Recommendation P.52) lassen die Auswirkungen der Verzerrungen auf die Bestimmung des korrekten Pegels weitgehend ausser Acht. Zur Erläuterung der Problematik folgendes:The previously known methods for fast real-time control of the signal (see e.g. ITU-T Recommendation P.52) largely ignore the effects of the distortions on the determination of the correct level. The following to explain the problem:
Während der Messung der Übertragungsqualität eines Mobilfunksystems wird mit einem mobilen Testgerät das zu prüfende Gebiet durchfahren mit dem Ziel, eine mehr oder weniger flächendeckende Analyse der Funkversorgung zu erhalten. Es ist ein bekanntes Phänomen, dass Mobilfunkkanäle mit zeit- und frequenzselektivem Schwund behaftet sind, und dass die Übertragungsqualität infolgedessen sehr schnell und stark variieren kann. Echtzeit-Messungen im Feld sind also mit stark variierenden Signalpegeln (und mit nicht- linearen Störungen) konfrontiert, welche nicht im voraus bekannt sind. Die bekannten Methoden zur Pegelregelung erweisen sich als nicht befriedigend, wenn starke Signalverzerrungen vorhanden sind. Starke Störungen (Echo, Impulsstörungen, Verbindungsunterbrüche) werden nämlich unbewusst als Bestandteile des Signals interpretiert und können zu einer überhöhten bzw. zu kleinen Verstärkung führen. Als Folge davon wird das Ergebnis der Qualitätsbeurteilung verfälscht.During the measurement of the transmission quality of a mobile radio system, the area to be tested is traversed with a mobile test device with the aim of obtaining a more or less comprehensive analysis of the radio coverage. It is a well-known phenomenon that mobile radio channels suffer from time and frequency selective fading and that the transmission quality can consequently vary very quickly and greatly. Real-time measurements in the field are therefore faced with strongly varying signal levels (and with non-linear disturbances), which are not known in advance. The known methods for level control prove to be unsatisfactory if there are strong signal distortions. Strong disturbances (echo, impulse disturbances, connection interruptions) are interpreted unconsciously as components of the signal and can lead to an excessive or too small amplification. As a result, the result of the quality assessment is falsified.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das die beim Stand der Technik vorhandenen Nachteile vermeidet und auch bei starken nichtlinearen Verzerrungen im wesentlichen keinen störenden Einfluss auf das Resultat der Quali- tätsbeurteilung hat.The object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset which avoids the disadvantages existing in the prior art and, even in the case of strong nonlinear distortions, has essentially no disruptive influence on the result of the quality assessment.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung wird das empfangene Signal für die Pegelregelung nur in einigen ausgewählten zeitlichen Fenstern untersucht. Die genannten Fenster sind im voraus so festgelegt, dass sie eine möglichst hohe spektrale Energiedichte des (nicht verzerrten) Testsignals beinhal- ten. In den ausgewählten Fenstern wird das verzerrt empfangene Signal einem Vergleich mit dem Signalmuster unterzogen. Das Vergleichsverfahren ist dasselbe, welches auch nachträglich für die Beurteilung der Übertragungsqualität verwendet wird. Als nächstes wird das Fenster ermittelt, in welchem die beste Übertragungsqualität bzw. Signalähnlichkeit gefunden wurde. In diesem Fenster wird nun in an sich bekannter Weise das Verhältnis der Signalpegel ermittelt. Schliesslich wird das gesamte Signal (d.h. auch das Signal aus- serhalb der untersuchten Fenster) entsprechend dem gefundenen Verhältnis verstärkt.The solution to the problem is defined by the features of claim 1. According to the invention, the received signal for level control is only examined in a few selected time windows. The windows mentioned are defined in advance in such a way that they contain the highest possible spectral energy density of the (non-distorted) test signal. In the selected windows, the distorted received signal is subjected to a comparison with the signal pattern. The comparison procedure is the same as that which is subsequently used for the assessment of the transmission quality. The window in which the best transmission quality or signal similarity was found is then determined. The ratio of the signal levels is now determined in this window in a manner known per se. Finally, the entire signal (i.e. the signal outside the examined window) is amplified according to the ratio found.
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass für die Ermittlung des für die Pegelregelung erforderlichen Verstärkungsfaktors nicht auf die gesamte empfangene Signalenergie zurückgegriffen wird, sondern nur auf diejenigen Signalabschnitte, welche eine minimale Verzerrung aufweisen. Innerhalb der Pegelregelung wird quasi eine erste Beurteilung der Übertragungsqualität durchgeführt. Diese Beurteilung beschränkt sich aber auf Signalabschnitte (Fenster) mit einer hohen Energiedichte. Dadurch kann der Einfluss von allfälligen Störun- gen von vornherein klein gehalten werden. Die Störungen werden nicht in allen Fenstern gleich gross sein. Dort wo sie klein sind, wird die provisorisch ermittelte "lokale" Signalqualität gut sein. Entsprechend wird der "lokal" ermittelte Verstärkungsfaktor nur minimal durch nichtlineare Störungen tangiert.The essence of the invention lies in the fact that for the determination of the gain factor required for the level control, not all of the received signal energy is used, but only those signal sections which have minimal distortion. A quasi first assessment of the transmission quality is carried out within the level control. However, this assessment is limited to signal sections (windows) with a high energy density. The influence of any malfunctions be kept small from the outset. The disturbances will not be the same in all windows. Wherever they are small, the provisionally determined "local" signal quality will be good. Accordingly, the "locally" determined gain factor is only minimally affected by nonlinear disturbances.
Die für die Pegelregelung zu definierenden Fenster werden durch eine Analyse des vorgegebenen Testsignals festgelegt. Das Testsignal wird einer spektralen Analyse unterworfen. Dabei werden die Signalabschnitte identifiziert, deren Energie eine geeignet gewählte Schwelle überschreitet.The windows to be defined for the level control are determined by an analysis of the specified test signal. The test signal is subjected to a spectral analysis. The signal sections are identified whose energy exceeds a suitably selected threshold.
Vorzugsweise wird die Schwelle so gewählt, dass die Fenster bzw. Signalabschnitte, wel- ehe die geforderte Bedingung erfüllen, insgesamt mindestens 50% der Energie des gesamten Signals beinhalten. Bei Testsignalen mit stark lokal konzentrierter Energie kann die Schwelle ohne weiteres so gelegt werden, dass mindestens 2/3 bis 3/4 (z.B. etwa 70%) der gesamten Signalenergie in die ausgewählten Fenster fallen.The threshold is preferably selected such that the windows or signal sections which meet the required condition contain at least 50% of the energy of the entire signal. For test signals with strongly locally concentrated energy, the threshold can be easily set so that at least 2/3 to 3/4 (e.g. about 70%) of the total signal energy falls into the selected window.
Im Bereich der Mobilfunktelefonie wird vorzugsweise ein Sprachsignal (z.B. ein von einer Testperson gesprochener Satz) als Testsignal verwendet. Die Fenster werden so gewählt, dass sie keine Sprechpausen enthalten. Von Interesse sind nur sprachaktive Signalausschnitte.In the field of mobile radio telephony, a voice signal (e.g. a sentence spoken by a test person) is preferably used as the test signal. The windows are chosen so that they do not contain any pauses in speaking. Only speech-active signal sections are of interest.
Eine geeignete Methode zur Bestimmung der Signalqualität ist die Berechnung der BSD (Bark Spectral Distance). Es können aber ohne weiteres auch andere Verfahren eingesetzt werden (Cepstral, etc.). Indem bei der Bestimmung des Verstärkungsfaktors für die selektierten Signalabschnitte dasselbe Qualitätsbeurteilungsverfahren eingesetzt wird wie bei der nachfolgenden Analyse des gesamten Signals, wird eine optimale Aufbereitung bzw. Vorverarbeitung des (verzerrten) Empfangssignals erreicht.A suitable method for determining the signal quality is the calculation of the BSD (Bark Spectral Distance). However, other methods can also be used without any problems (Cepstral, etc.). By using the same quality assessment method for determining the amplification factor for the selected signal sections as for the subsequent analysis of the entire signal, an optimal preparation or preprocessing of the (distorted) received signal is achieved.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche er- geben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung. Kurze Beschreibung der ZeichnungenFurther advantageous embodiments and combinations of features of the invention result from the following detailed description and the entirety of the claims. Brief description of the drawings
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:The drawings used to explain the exemplary embodiment show:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild des Verfahrens zur Beurteilung der Übertragungsqualität;Fig. 1 is a block diagram of the method for assessing the transmission quality;
Fig. 2a-c eine schematische Darstellung der Auswahl der für die Pegelregelung massgeblichen Fenster;2a-c show a schematic representation of the selection of the windows relevant for the level control;
Fig. 3 ein Blockschaltbild des Verfahrens zur Durchführung der Pegelregelung.Fig. 3 is a block diagram of the method for performing level control.
Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Fig. 1 zeigt schematisch den an sich bekannten Ablauf eines Verfahrens zur Beurteilung der Übertragungsqualität. Ein Sender 1 sendet ein im voraus bekanntes Testsignal. Der Sender 1 ist z.B. ein Testgerät, welches einerseits die Schaltungsanordnung eines handelsüblichen Mobilfunktelefons und andererseits eine Schaltung zum Erzeugen und Einspeisen des Testsignals in die Mobilfunkschaltung umfasst. Beim Testsignal handelt es sich z.B. um ein mehr ach wiederholtes Sprachsignal. Dieses ist in einem Speicher abgespeichert und wird digital an die Mobilfunkschaltung weitergegeben. Auf diese Weise wird ein Mobilfunkbenutzer simuliert, welcher mit einem Gesprächspartner am anderen Ende der Leitung spricht.Fig. 1 shows schematically the known process of a method for assessing the transmission quality. A transmitter 1 sends a test signal known in advance. The transmitter 1 is e.g. a test device which on the one hand comprises the circuit arrangement of a commercially available mobile radio telephone and on the other hand a circuit for generating and feeding the test signal into the mobile radio circuit. The test signal is e.g. for a more oh repeated voice signal. This is stored in a memory and is digitally passed on to the mobile radio circuit. In this way, a mobile phone user is simulated who speaks to a conversation partner on the other end of the line.
Das Testsignal wird über die Übertragungsstrecke 2 übertragen. Geht es um die Beurtei- lung der Übertragungsqualität eines Mobilfunksystems, dann schliesst die Übertragungsstrecke sowohl eine oder mehrere Funkstrecken als auch eine beliebige Anzahl von leitungsgebundenen Übertragungsabschnitten ein. Mindestens eine der Funkstrecken (z.B. diejenige von der jeweils aktuellen Basisstation zum Testgerät) ist starken nichtlinearen Verzerrungen unterworfen. Namentlich können kurze Unterbrechungen auftreten, wodurch entsprechende Abschnitte des Testsignals verloren gehen.The test signal is transmitted via the transmission link 2. When it comes to assessing the transmission quality of a mobile radio system, the transmission link includes both one or more radio links and any number of wired transmission sections. At least one of the radio links (e.g. that from the current base station to the test device) is strong non-linear Subject to distortion. In particular, short interruptions can occur, as a result of which corresponding sections of the test signal are lost.
Am anderen Ende der Übertragungsstrecke 2 befindet sich der Empfänger 3. Dieser um- fasst wiederum eine Telefonschaltung, um das Übertragungssignal zu decodieren und in einem digitalen Format für die nachfolgende Auswertung auszugeben. Weiter führt er die Synchronisation durch, damit die nachfolgende Signalverarbeitung auf den Beginn des (repetitiv übertragenen) Sprachsignals synchronisiert ist.At the other end of the transmission link 2 is the receiver 3. This in turn comprises a telephone circuit in order to decode the transmission signal and to output it in a digital format for the subsequent evaluation. He also carries out the synchronization so that the subsequent signal processing is synchronized with the beginning of the (repetitively transmitted) speech signal.
In Fig. 1 ist der Einfachheit halber nur die eine Richtung der Signalübertragung dargestellt. Es versteht sich, dass in der umgekehrten Richtung dieselbe Funktionalität gegeben sein kann, so dass die Übertragungsqualität in beiden Richtungen ermittelt werden kann.For the sake of simplicity, only one direction of signal transmission is shown in FIG. 1. It goes without saying that the same functionality can be given in the opposite direction, so that the transmission quality can be determined in both directions.
Nach dem Empfänger 3 wird z.B. eine FFT-Analyse 4 (Fast Fourier Transform) durchgeführt. Die resultierenden Spektren werden danach einer Bark-Klassifikation 5 unterworfen. Das heisst, die Frequenzen werden entsprechend der Bark-Skala zu Gruppen bzw. Bändern zusammengefasst, welche mit der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs korrespondie- ren.After the receiver 3, e.g. an FFT analysis 4 (Fast Fourier Transform) was carried out. The resulting spectra are then subjected to a Bark classification 5. This means that the frequencies are combined according to the Bark scale into groups or bands that correspond to the sensitivity of the human ear.
Das so aufbereitete Empfangssignal wird als nächstes mit der erfindungsgemassen Pegelregelung 6 auf das für die nachfolgende Qualitätsbeurteilung 7 erforderliche Niveau angehoben. Für die Qualitätsbeurteilung kann ein beliebiges Vergleichsverfahren eingesetzt werden, wobei die im Rahmen der Systementwicklung aus dem Testsignal in gleicher Weise gewonnenen Werte als Referenz in einem Speicher abgelegt sind. Die Ausgabe 8 der Qualitätsbeurteilung 7 kann z.B. die Abhängigkeit der ermittelten Qualitätswerte von der Zeit anzeigen. Nachdem bekannt ist, wo sich das mobile Testgerät zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgehalten hat, kann beispielsweise auf örtliche Probleme der Funkstrecke geschlossen werden.The received signal processed in this way is next raised with the level control 6 according to the invention to the level required for the subsequent quality assessment 7. Any comparison method can be used for quality assessment, the values obtained in the course of the system development from the test signal in the same way being stored in a memory as a reference. The output 8 of the quality assessment 7 can e.g. show the dependence of the determined quality values on the time. After it is known where the mobile test device was at a certain point in time, it is possible to infer local problems on the radio link, for example.
Im folgenden sollen nun die Grundlagen der erfindungsgemassen Pegelregelung 6 erläutert werden. In Fig. 2a ist andeutungsweise der zeitliche Verlauf eines als Testsignal dienenden Sprachsignals gezeigt. Das Sprachsignal hat eine vorgegebene Länge TD von z.B. 3 bis 10 Sekunden. Charakteristisch für das Sprachsignal ist, dass die Energie nicht gleichmässig verteilt ist, sondern sich an den Wort- und Silbenanfängen konzentriert. Die Wörter sind durch Sprechpausen getrennt. Erfahrungsgemäss machen die Sprechpausen einen wesentlichen Teil (z.B. 30% bis 50%) der Länge TD des Sprachsignals aus.The basics of the level control 6 according to the invention will now be explained below. In Fig. 2a the time course of a voice signal serving as a test signal is shown. The speech signal has a predetermined length TD of, for example, 3 to 10 seconds. A characteristic of the speech signal is that the energy is not evenly distributed, but is concentrated at the beginning of words and syllables. The words are separated by pauses in speech. Experience has shown that the pauses in speech make up a substantial part (eg 30% to 50%) of the length TD of the speech signal.
In einem ersten Schritt werden nun die Sprechpausen geortet, welche die sprachaktiven Signalabschnitte voneinander trennen. Zu diesem Zweck kann das Signal in den Frequenzbereich transformiert und mit einem Diskriminator mit einer vorgegebenen Schwelle (wel- ehe z.B. 10 dB oberhalb des Quantisierungsrauschens liegt) verarbeitet werden. Das Ergebnis dieser Auswertung ist eine Reihe von beanstandeten, sprechpausenfreien Fenstern W1. W2. W3, ..., Wn (Fig. 2b).In a first step, the pauses in speech are now located, which separate the speech-active signal sections. For this purpose, the signal can be transformed into the frequency range and processed with a discriminator with a predefined threshold (which is, for example, 10 dB above the quantization noise). The result of this evaluation is a series of objectionable, non-speaking windows W1. W2. W3, ..., Wn (Fig. 2b).
Als nächstes werden die Fenster identifiziert, in denen z.B. die spektrale Energiedichte des Signals eine gewisse Schwelle überschreitet. Die Energiedichte wird im Frequenzbereich (insbesondere auf der Basis der Bark-Klassifikation) ermittelt. Vorzugsweise werden die Fenster nach der Grosse der Energiedichte sortiert. Auf diese Weise kann zugleich festgestellt werden, wieviele Fenster den gesetzten Schwellenwert überschreiten und wie gross die Summe der Energie der ausgewählten Fenster im Verhältnis zur Gesamtenergie des Testsignals ist.Next, the windows are identified in which e.g. the spectral energy density of the signal exceeds a certain threshold. The energy density is determined in the frequency range (in particular on the basis of the Bark classification). The windows are preferably sorted according to the size of the energy density. In this way it can be determined at the same time how many windows exceed the set threshold and how large the sum of the energy of the selected windows is in relation to the total energy of the test signal.
Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nämlich die Schwelle so gewählt, dass die oberhalb der Schwelle liegenden Fenster mindestens 60% bis 70% der Gesamtenergie vertreten. (Durch dieses Kriterium werden in der Regel insbesondere auch sehr kurze Fenster eliminiert.) Es ist aber durchaus möglich, alle im ersten Schritt ermittelten Fenster W 1 , W2, W3, ..., Wn für die Pegelregelung zu verwenden.According to a particularly preferred embodiment, the threshold is selected such that the windows above the threshold represent at least 60% to 70% of the total energy. (This criterion generally also eliminates very short windows in particular.) However, it is entirely possible to use all windows W 1, W2, W3, ..., Wn determined in the first step for level control.
Im Beispiel gemäss Fig. 2c sind die ausgewählten Fenster mit V1, ..., VN-1 , VN bezeichnet. Für jedes dieser Fenster werden - neben den charakteristischen spektralen Werten des Testsignals - der zeitliche Beginn und das Ende (bzw. die Dauer) abgespeichert. Damit ist 8In the example according to FIG. 2c, the selected windows are labeled V1, ..., VN-1, VN. For each of these windows, in addition to the characteristic spectral values of the test signal, the start and end of time (or duration) are saved. So that is 8th
die vorbereitende Phase abgeschlossen. Die genannten Daten werden im Rahmen der erfindungsgemassen Pegelregelung in der anhand der Fig. 3 erläuterten Weise eingesetzt.the preparatory phase is completed. The data mentioned are used in the context of the level control according to the invention in the manner explained with reference to FIG. 3.
Das in Fig. 3 gezeigte Blockschaltbild symbolisiert den Inhalt des in Fig. 1 gezeigten Blockes 6. Das aufbereitete Empfangssignal x(f,t) wird vor der Verstärkung 9 abgegriffen und einer Fensterextraktion 10 zugeführt. Diese extrahiert die in die vorgegebenen Fenster V1 , ..., VN-1 , VN fallenden Abschnitte des Empfangssignal x(f,t). Die nachfolgende Signalanalyse beschränkt sich gemäss der Erfindung auf die genannten Abschnitte. Das heisst, für jeden ausgewählten Signalabschnitt wird eine selektive (quasi "lokale") Qualitätsbeurteilung 1 1 durchgeführt. Die Qualitätsbeurteilung 1 1 arbeitet in gleicher Weise wie die nach der Pegelregelung 6 folgende "globale" Qualitätsbeurteilung 7 (vgl. Fig. 1). Es können bekannte Verfahren zur Anwendung kommen, wie z.B. die BSD- oder die Cepstral-Me- thode.The block diagram shown in FIG. 3 symbolizes the content of the block 6 shown in FIG. 1. The processed received signal x (f, t) is tapped before the amplification 9 and fed to a window extraction 10. This extracts the sections of the received signal x (f, t) falling into the predetermined windows V1, ..., VN-1, VN. The following signal analysis is limited according to the invention to the sections mentioned. This means that a selective (quasi "local") quality assessment 1 1 is carried out for each selected signal section. The quality assessment 11 works in the same way as the "global" quality assessment 7 following the level control 6 (cf. FIG. 1). Known methods can be used, e.g. the BSD or the cepstral method.
Die selektive Qualitätsbeurteilung 1 1 stützt sich auf die im Referenzspeicher 12 enthaltenen Werte des unverzerrten Testsignals. Am Ausgang der Qualitätsbeurteilung 1 1 steht für jedes vorgegebene Fenster V1, ..., VN-1, VN mindestens ein Wert zur Verfügung. Dieser charakterisiert die Ähnlichkeit des Empfangssignals x(f,t) mit dem ursprünglichen Testsignal im jeweiligen Fenster. War z.B. während der Übertragung ein kurzer Unterbruch in einem bestimmten Fenster, z.B. in V1 , dann wird die Ähnlichkeit in diesem Fenster gering sein.The selective quality assessment 11 is based on the values of the undistorted test signal contained in the reference memory 12. At the output of quality assessment 1 1, at least one value is available for each specified window V1, ..., VN-1, VN. This characterizes the similarity of the received signal x (f, t) with the original test signal in the respective window. Was e.g. a brief interruption in a certain window during the transmission, e.g. in V1, then the similarity in this window will be slight.
In der nachfolgenden Selektionsschaltung 13 wird das Fenster mit dem grössten Ähnlichkeitswert bestimmt. Im Prinzip können auch all jene Fenster selektiert werden, deren Ähnlichkeitwert eine vorgegebene Schwelle übersteigt. Immer wenn (mindestens) ein Fenster mit einem Signalabschnitt ausreichender Qualität (Qi > Qmin) gefunden wird, wird in diesem Fall der Verstärkungsfaktor angepasst. (Bei ungenügender Qualität wird der bisherige Verstärkungsfaktor beibehalten.)The window with the greatest similarity value is determined in the subsequent selection circuit 13. In principle, all those windows can be selected whose similarity value exceeds a predefined threshold. Whenever (at least) a window with a signal section of sufficient quality (Qi> Qmin) is found, the gain factor is adjusted in this case. (If the quality is insufficient, the previous gain factor is retained.)
In der nachfolgenden Pegelkorrektur 14 wird nach einer an sich bekannten Formel der Verstärkungsfaktor berechnet, z.B. L = 20*log(Eref/Esig), wobei "Eref" den abgespeicherten Referenzwert und "Esig" die empfangene Signalenergie im gegebenen Zeitintervall be- zeichnen. Wird in der Selektionsschaltung 13 nur ein einziges Fenster ausgewertet, dann kann für dieses Fenster der empfangene Pegel mit dem Referenzpegel 15 verglichen werden. Werden mehrere Fenster selektiert, dann kann z.B. für jedes einzelne Fenster der erforderliche Verstärkungsfaktor errechnet werden, um dann einen Mittelwert zu bestim- men.In the subsequent level correction 14, the gain factor is calculated according to a formula known per se, for example L = 20 * log (Eref / Esig), "Eref" the stored reference value and "Esig" the received signal energy in the given time interval. to draw. If only a single window is evaluated in the selection circuit 13, then the received level for this window can be compared with the reference level 15. If several windows are selected, the required amplification factor can be calculated for each individual window, for example, in order to then determine an average.
Der auf der Basis eines einzigen Fensters (oder einiger weniger Fenster) gewonnene Verstärkungsfaktor wird gemäss der Erfindung für die Verstärkung des gesamten Signals x(f,t) eingesetzt (Verstärkung 9).The gain factor obtained on the basis of a single window (or a few windows) is used according to the invention for amplifying the entire signal x (f, t) (gain 9).
Die Qualitätsbeurteilung 7, welche gemäss der Erfindung auch im Rahmen der Pegelrege- lung 6 (dort allerdings beschränkt auf ausgewählte Fenster) zur Anwendung kommt, kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden. Im folgenden soll beispielhaft ein geeignetes Verfahren kurz beschrieben werden.The quality assessment 7, which according to the invention is also used in the context of the level control 6 (however, there limited to selected windows), can be carried out in a manner known per se. A suitable method is briefly described below as an example.
Das Bark Spektrum L(i) spiegelt die nichtlinearen Transformationen von Frequenz und Amplitude des menschlichen Ohrs wieder zusammen mit wichtigen Aspekten der Frequenz- analyse und spektralen Integrationseigenschaften bei komplexen akustischen Ereignissen. Gemäss der vorliegenden Ausführungsform wird die quadratische Euklidische Distanz zwischen zwei Bark-Spektralvektoren bestimmt. Dieser als BSD (engl. Bark Spectral Distor- tion) bekannte Wert kann durch folgende Formeln beschrieben werden:The Bark Spectrum L (i) reflects the nonlinear transformations of frequency and amplitude of the human ear together with important aspects of frequency analysis and spectral integration properties in complex acoustic events. According to the present embodiment, the quadratic Euclidean distance between two Bark spectral vectors is determined. This value, known as BSD (Bark Spectral Distortion), can be described by the following formulas:
BSD = BSD. I EBark BSD = BSD. IE Bark
BSD„ = Ave[ßSD(k)]BSD „= Ave [ßSD (k) ]
EBark = Ave \^{i)}E Bark = Ave \ ^ {i)}
ÄSD<*> = ∑[^>(i) - 44)(θT 10 Ä SD <*> = ∑ [^> ( i ) - 4 4) ( θT 10
Dabei bezeichnenDesignate it
L (i)Λk)( das Barkspektrum des k-ten Segments des Testsignals bzw. des entsprechenden Segments des übertragenen Empfangssignal. (Weitere Einzelheiten zur BSD-Methode können dem eingangs zitierten Stand der Technik von Shihua Wang et al. entnommen werden.)L (i) Λ k) (the bark spectrum of the kth segment of the test signal or the corresponding segment of the received signal transmitted. (Further details on the BSD method can be found in the prior art cited at the beginning by Shihua Wang et al.)
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Beurteilung der Übertragungsqualität von Sprachsignalen. Vielmehr ist sie überall dort anwendbar, wo ein bekanntes Testsignal über eine Übertragungsstrecke mit ausgeprägten nichtlinearen Verzerrungen übertragen und anschliessend qualitativ beurteilt wird. Zu erwähnen sind z.B. Systeme zur Übertragung von Bildern.The invention is not limited to the assessment of the transmission quality of speech signals. Rather, it can be used wherever a known test signal is transmitted over a transmission path with pronounced non-linear distortions and is then assessed qualitatively. Worth mentioning are e.g. Image transmission systems.
Ein Merkmal der Erfindung ist die Unterteilung des Testsignals in eine Mehrzahl von kleinen Fenstern und die Berechnung der Übertragungsqualität in diesen ausgewählten Fenstern. Das Fenster mit der besten Übertragungsqualität dient zur Ermittlung der Lautstärke des gesamten Empfangssignals. Signalabschnitte mit geringer Leistung (wie z.B. Sprechpausen in Sprachsignalen oder Bitdbereiche ohne Struktur in Bildsignalen) werden bei der Pegel- regelung nicht berücksichtigt. (Zur Vermeidung von Missverständnissen wird darauf hingewiesen, dass in der Qualitätsbeurteilung 7 selbstverständlich das gesamte Signal - und nicht nur die ausgewählten Fenster - berücksichtigt wird.)A feature of the invention is the division of the test signal into a plurality of small windows and the calculation of the transmission quality in these selected windows. The window with the best transmission quality is used to determine the volume of the entire received signal. Signal sections with low power (such as pauses in speech in speech signals or bit areas with no structure in picture signals) are not taken into account in the level control. (To avoid misunderstandings, it is pointed out that quality assessment 7 naturally takes into account the entire signal - and not just the selected windows.)
Innerhalb der erfindungsgemassen Pegelregelung kann eine provisorische und auf die ausgewählten Fenster bezogene Angleichung der Pegel durchgeführt werden. Falls es das Vergleichsverfahren zulässt, kann auf eine Angleichung der Pegel in diesem Rahmen verzichtet werden.A provisional level adjustment based on the selected windows can be carried out within the level control according to the invention. If the comparison procedure permits, the levels in this frame can be dispensed with.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die Erfindung ein systematischer Fehler der bisherigen Qualitätsbeurteilung beseitigt wird. In summary, it can be stated that the invention eliminates a systematic error in the previous quality assessment.

Claims

1 1Patentansprüche 1 1Patent claims
1. Verfahren zur Durchführung einer Qualitätsbeurteilung einer Signalübertragungsstrecke (2) mit nichtlinearen Verzerrungen, wobei ein vorgegebenes Testsignal von einem Sender (1) zu einem Empfänger (3) übertragen wird, im Empfänger (3) zunächst der Pegel des Empfangssignals eingestellt und anschliessend mit einem vorgegebenen Vergleichsverfahren eine globale Qualitätsbeurteilung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des Pegels1. Method for carrying out a quality assessment of a signal transmission path (2) with non-linear distortions, a predetermined test signal being transmitted from a transmitter (1) to a receiver (3), the level of the received signal first being set in the receiver (3) and then with a predefined comparison method, a global quality assessment is carried out, characterized in that for adjusting the level
a) in einer vorgegebenen Anzahl von verschiedenen, vordefinierten Fenstern (V1 , ..., VN-1 , VN) eine auf dem vorgegebenen Vergleichsverfahren beruhende lokale Quali- tätsbeurteilung (1 1) durchgeführt wird, dassa) in a predetermined number of different, predefined windows (V1, ..., VN-1, VN) a local quality assessment (1 1) based on the predetermined comparison method is carried out that
b) mindestens ein Fenster mit einer ausreichenden lokalen Übertragungsqualität ermittelt wird, dassb) at least one window with sufficient local transmission quality is determined that
c) das Verhältnis des Signalpegels des Testsignals zum Signalpegel des Empfangssignals in mindestens einen Fenster berechnet wird und dassc) the ratio of the signal level of the test signal to the signal level of the received signal is calculated in at least one window and that
d) der Pegel des ganzen Empfangssignals auf der Basis des genannten Verhältnisses eingestellt wird.d) the level of the entire received signal is set on the basis of the ratio mentioned.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nur diejenigen Fenster für die Pegelregelung benutzt werden, in welchen die spektrale Energiedichte des Testsignals eine vorgegebene Schwelle überschreitet.2. The method according to claim 1, characterized in that only those windows are used for level control in which the spectral energy density of the test signal exceeds a predetermined threshold.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle so gewählt ist, dass die ausgewählten Fenster zusammen mindestens 50%, vorzugsweise etwa 70% der gesamten Signalenergie des Testsignals enthalten. 1 23. The method according to claim 2, characterized in that the threshold is selected such that the selected windows together contain at least 50%, preferably about 70% of the total signal energy of the test signal. 1 2
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Testsignal ein Sprachsignal verwendet wird, und dass die ausgewählten Fenster frei von Sprechpausen sind.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a speech signal is used as the test signal, and that the selected windows are free of speech pauses.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Über- tragungsqualität gemäss der BSD-Methode bestimmt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the transmission quality is determined according to the BSD method.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einem Empfänger zum Empfangen eines von einem Sender über eine Signalübertragungsstrecke übertragenen Empfangssignals, wobei der Empfänger eine Pegelregelung zum Einstellen des Pegels des Empfangssignals und eine Qualitätsbeurteilung umfasst, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Pegelregelung6. Device for carrying out the method according to claim 1, with a receiver for receiving a received signal transmitted by a transmitter over a signal transmission path, the receiver comprising a level control for setting the level of the received signal and a quality assessment, characterized in that the level control
a) eine Schaltung zur Durchführung einer lokalen Qualitätsbeurteilung in einer vorgegebenen Anzahl von verschiedenen, vordefinierten Fenstern,a) a circuit for carrying out a local quality assessment in a predetermined number of different, predefined windows,
b) eine Schaltung, um mindestens ein Fenster mit einer ausreichenden lokalen Übertragungsqualität zu ermitteln,b) a circuit to determine at least one window with a sufficient local transmission quality,
c) eine Schaltung zum Berechnen des Verhältnisses des Signalpegels des Testsignals zum Signalpegel des Empfangssignals in mindestens einem Fenster,c) a circuit for calculating the ratio of the signal level of the test signal to the signal level of the received signal in at least one window,
d) eine Verstärkung (9), welche den Pegel des ganzen Empfangssignals auf der Basis des genannten Verhältnisses einstellt, umfasst. d) an amplification (9) which adjusts the level of the entire received signal on the basis of said ratio.
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